CN202502254U - 一种电法仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电法仪，包括多通道路数选择器模块、信号调理模块、24位模/数转换模块、DSP以及通信解码模块；多通道路数选择器模块的输出端与信号调理模块的输入端连接，信号调理模块的输出端与24位模/数转换模块的输入端连接，24位模/数转换模块的输出端与DSP连接，DSP还与通信解码模块连接；通信解码模块包括SPI协议模块、数据缓存模块和解码模块。本实用新型能够实现16通道的同步数据采集，最多实现144路模拟信号的数据采集，采集精度为24位AD转换精度、最小信号分辨率可达到50nV。
Description
技术领域
本实用新型涉及探测设备领域，尤其涉及一种电法仪。
背景技术
设计的电法仪产品主要应用于工程地质调查、深层地下水勘探、电磁环境监测等领域电磁场变化的精确测量。
现有的电法仪多采用单片机系统的设计，只能在采集单元做一些简单的信号处理，进一步的数据处理则需要在主控制器中完成。虽然大部分仪器能够实现数据采集的智能化，采集精度不高，同步采集数据不够完善，且能满足现场勘查所需的相关的高速数据传输及强大数字信号处理能力的仪器并不多。
实用新型内容
针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种电法仪。
本实用新型提供了一种电法仪，包括多通道路数选择器模块、信号调理模块、24位模/数转换模块、DSP以及通信解码模块；
多通道路数选择器模块的输出端与信号调理模块的输入端连接，信号调理模块的输出端与24位模/数转换模块的输入端连接，24位模/数转换模块的输出端与DSP连接，DSP还与通信解码模块连接；
通信解码模块包括SPI协议模块、数据缓存模块和解码模块。
在一个示例中，信号调理模块的数量和24位模/数转换模块的数量相同。
在一个示例中，每个DSP与三个24位模/数转换模块的输出端连接。
在一个示例中，信号调理模块包括顺次连接的前置放大器、工频陷波器、低通滤波器、程控放大器以及单端/差分电平转换电路，程控放大器放大器具有程控放大增益控制端口。
在一个示例中，24位模/数转换模块包括模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器、四阶Δ-∑调制器及可编程数字滤波器。
在一个示例中，每个DSP与三个24位模/数转换模块连接。
在一个示例中，通信解码模块包括四个SPI协议模块、数据缓存模块以及RS232解码模块，每个SPI协议模块对应所述三个24位模/数转换模块。
本实用新型能够实现16通道的同步数据采集，最多实现144路模拟信号的数据采集，采集精度为24位AD转换精度、最小信号分辨率可达到50nV。可以通过上位计算机或高分辨率触摸屏液晶显示器实时显示采集数据，采集发射波形、监测数据采集的质量，数据的解释及成像算法在控制计算机上完成。设备可广泛应用于地质调查、深层地下水勘探、工程地质调查、电磁环境监测等领域电磁场变化的精确测量。
附图说明
下面结合附图来对本实用新型作进一步详细说明，其中：
图1是本实用新型的电法仪结构示意图；
图2是信号调理模块示意图；
图3是同步采集模块示意图；
图4是信号分辨率测试框图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型根据现场需要，均匀排布采集电极，电极共有72个，每组12个，分为六组。以石油电法勘探为例，以采油井为中心点，呈射线状布设电位采集点。一般电极间隔50-80米之间，各个射线间隔15-20度，现场一次排布可测电极电位点数以小于144个采集点为宜。
通过多通道路数选择器模块选择采集路数，每路小于16个电极，分时采集，轮回扫描，完成对所有电极点电位的采集。信号调理模块1-12，通过带通滤波及放大电路，滤除干扰信号，获得有用信号。在微处理器DSP制下，经过24位高精度数据采集，获得现场各个采集电极的数字信号。通过FPGA内逻辑控制，各自独立完成以SPI接口的实时数据上传，将采集的数据存储到FPGA内部的数据缓冲空间，之后，以RS232接口模式上传到显示设备，诸如计算机或触摸屏。
多通道数据选择模块针对现场多个采集点，采用扫描采集方式，每次同步采集12-16个电极点的电位数据，通过多路转换器控制选择采集路数，完成对多通道的系统采集。路数通道选择参数可以通过上位机以指令形式下传，通过下位机的DSP控制完成。
信号调理模块如图2所示，模拟调制电路模块包括前置放大、工频陷波、低通滤波和程控放大等。模拟信号调制电路，首先采用差分放大器，抑制采集现场的共模干扰，提取有效信号。工业控制现场，干扰频带分布广泛，尤其高频干扰成分含量丰富，根据有用信号的频段，设计低通滤波器，滤除高频谐波干扰。对周围环境工频电磁信号窜入50Hz及其高次谐波所干扰，运用陷波器专用于降低工频噪声。程控放大电路是将信号放大到ADC量化的最佳区间，以提高仪器的动态范围和灵敏度。在数据采集完成后，在DSP处理器内部编辑数字滤波算法，最终完成对有用信号及其谐波成分的完整提取。
高精度AD信号的同步采集模块如图3所示，选择具有24位采集精度的模数转换器AD7712实现数据采集。AD转换器内部电路组成：模拟多路开关(MUX)、输入缓冲器(BUF)、可编程增益放大器(PGA)、四阶Δ-∑调制器及一个可编程数字滤波器组成，具备高精度测量解决方案。
通过TMS2812处理器上提供了多个多功能复用通用I/O脚，分为GPIO控制组件1#-GPIO控制组件3#，通过配置GPIO MUX寄存器来模拟SPI功能模块，实现与AD芯片数据传输。SPI(串行外设)接口具有4种信号：MISO(主进从出)、MOSI(主出从进)、SCK(转换时钟)、SS(从设备使能信号)，SCK与AD7721的时钟端口SCK1-SCK3连接，MISO与AD7721的数据输出端口DOUT1-DOUT3连接，MOSI与AD7721的数据输入端口DIN1-DIN3连接，SS与DRDY1-DRDY3连接。主设备通过提供时钟转换信号和从设备使能信号控制通信的进行。DSP系统通过控制AD芯片的SYNC引脚来实现四路A/D数据同步采集。
在采集系统设计中，采用每个DSP处理器控制采集三路模拟输入信号实现。12路采集信号的同步实现通过4片DSP处理器控制完成。图3为每个DSP处理器控制三路AD转换器进行同步采集的电路设计结构图。
在DSP与AD芯片通讯工作中，AD处于SPI通讯的从工作模式，DSP工作在SPI通讯的主模式，DSP通过对AD芯片内部寄存器写入控制字，从而实现对AD工作方式的控制和采集数据的读取，采样速率以及PGA设置都可以在程序中实现实时调整，默认设置为30KB/S、4/PGA。
各个采集板获得采集数据需要上传到触摸屏或上位控制计算机进行实时显示及后期算法实现。由于采集为同步完成，为避免上传数据冲突，保证实时显示，通过FPGA控制与各个采集模块进行串行数据通信，将各采集板的采集数据获得并缓存，之后通过串行接口上传并显示。
由DSP控制的各个采集板分别同步采集来自不同电极的现场电位数据，通过DSP片上SPI接口将采集数据向上位机和显示触屏传递。在FPGA内部设计多个SPI接口模块，SPI工作时钟由DSP提供，DSP作为SPI通讯模式中的主设备，FPGA内部的各个SPI模块被动接收来自DSP的数据。FPGA内部的SPI模块分别独立与各自对接的DSP接口通讯，SPI接口控制线程采用并发执行方式，各自完成对来自对应SPI的传输数据，从而保证了同步采集到数据的实时传输实现。
FPGA内部各路SPI接口分别将采集数据经过串并转换，存储到同一数据缓冲区中，经过FPGA片上单片机核的控制，读取存储到缓冲区的数据，通过标准RS232接口上传到显示触摸屏，通过USB接口传到上位计算机。电法仪系统分辨率测试如图4所示：
用信号发生器产生mV级0.1Hz的方波，经过衰减器衰减10-5后变成nV级信号VB，送入电法仪数据采集系统，调整输入信号的幅值，逐次递增1000nV、500nV、300nV、200nV、100nV和50nV。用电法仪系统和FLUKE8846A分别采集DU信号放大滤波电路输出信号VC，用Matlab处理这两者采集的数据，并求出这两者所采集的电压信号的峰峰值。然后计算前后两次采集的电压差ΔVC，所测数据列于下表。
表分辨率测试数据
由上表可知，以FLUKE 8846A作为基准，电法仪的数据采集对50nV变化量的检测误差5.8％，满足设计要求。
以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，但本实用新型保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电法仪，其特征在于，包括多通道路数选择器模块、信号调理模块、24位模/数转换模块、DSP以及通信解码模块；
多通道路数选择器模块的输出端与信号调理模块的输入端连接，信号调理模块的输出端与24位模/数转换模块的输入端连接，24位模/数转换模块的输出端与DSP连接，DSP还与通信解码模块连接；
通信解码模块包括SPI协议模块、数据缓存模块和解码模块。
2.如权利要求1所述的电法仪，其特征在于，信号调理模块的数量和24位模/数转换模块的数量相同。
3.如权利要求1所述的电法仪，其特征在于，每个DSP与三个24位模/数转换模块的输出端连接。
4.如权利要求1所述的电法仪，其特征在于，信号调理模块包括顺次连接的前置放大器、工频陷波器、低通滤波器、程控放大器以及单端/差分电平转换电路，程控放大器放大器具有程控放大增益控制端口。
5.如权利要求1所述的电法仪，其特征在于，24位模/数转换模块包括模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器、四阶Δ-∑调制器及可编程数字滤波器。
6.如权利要求1所述的电法仪，其特征在于，每个DSP与三个24位模/数转换模块连接。
7.如权利要求6所述的电法仪，其特征在于，通信解码模块包括四个SPI协议模块、数据缓存模块以及RS232解码模块，每个SPI协议模块对应所述三个24位模/数转换模块。
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|---|---|---|---|---|
| CN109444961A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-03-08 | 中国地质大学（北京） | 一种基于全相位的多线程相关辨识电法勘探接收系统及方法 |
| CN110855523A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-28 | 北京广利核系统工程有限公司 | 一种多通道响应时间自动测试装置及方法 |
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